(57)【要約】種々の実施形態では、レーザビームのビームパラメータ積および／または開口数が、中心コアと、第１のクラッディングと、環状コアと、第２のクラッディングとを有するステップクラッド光ファイバを利用して調節される。本発明の種々の実施形態は、システム（すなわち、その出力レーザビーム）のＢＰＰが、光学パワー損失を最小限にまたは実質的に排除しながら、レーザシステムの開口数（ＮＡ）およびスポットサイズ（Ｄ）の操作を介して変動される、レーザシステムを提供する。
2019510276.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザシステムであって、
入力レーザビームの放出のためのビーム源と、
入力端部および前記入力端部と反対の出力端部を有するステップクラッド光ファイバであって、前記ステップクラッド光ファイバは、（ｉ）第１の屈折率を有する中心コアと、（ｉｉ）前記中心コアを囲繞し、第２の屈折率を有する第１のクラッディングと、（ｉｉｉ）前記第１のクラッディングを囲繞し、第３の屈折率を有する環状コアと、（ｉｖ）前記環状コアを囲繞し、第４の屈折率を有する第２のクラッディングとを備え、（ｉ）前記第１の屈折率は、前記第４の屈折率より大きく、（ｉｉ）前記第３の屈折率は、前記第４の屈折率より大きく、（ｉｉｉ）前記第２の屈折率は、前記第１の屈折率より小さく、かつ、前記第４の屈折率より大きい、ステップクラッド光ファイバと、
前記入力レーザビームを受信し、前記入力レーザビームを前記ステップクラッド光ファイバの前記入力端部に向かって指向するための内部結合機構であって、それによって、前記入力レーザビームは、前記ステップクラッド光ファイバの中に内部結合され、前記ステップクラッド光ファイバの前記出力端部から出力ビームとして放出される、内部結合機構と、
前記入力レーザビームを前記ステップクラッド光ファイバの前記入力端部上の１つまたは複数の内部結合場所上に指向するために前記内部結合機構を制御するためのコントローラであって、それによって、前記出力ビームのビームパラメータ積または開口数のうちの少なくとも１つが、少なくとも部分的に、前記１つまたは複数の内部結合場所によって決定される、コントローラと
を備える、レーザシステム。
【請求項２】
前記内部結合機構は、前記入力レーザビームを前記ステップクラッド光ファイバの前記入力端部に向かって集束させるための光学要素を備え、前記光学要素は、前記コントローラに応答して、（ｉ）前記入力レーザビームの伝搬方向と略平行な軸または（ｉｉ）前記入力レーザビームの前記伝搬方向と略垂直な１つまたは複数の軸のうちの少なくとも１つに沿って移動可能である、請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項３】
前記内部結合機構は、前記入力レーザビームを受信し、前記入力レーザビームを前記ステップクラッド光ファイバに向かって反射するための反射体を備える、請求項２に記載のレーザシステム。
【請求項４】
前記光学要素は、１つまたは複数のレンズ、１つまたは複数のミラー、および／または１つまたは複数のプリズムを備える、請求項２に記載のレーザシステム。
【請求項５】
前記内部結合機構は、前記入力レーザビームを受信し、前記入力レーザビームを前記ステップクラッド光ファイバに向かって反射するための反射体を備え、前記反射体は、前記コントローラに応答して回転可能である、請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項６】
前記内部結合機構は、前記入力レーザビームを前記反射体から受信し、前記入力レーザビームを前記ステップクラッド光ファイバに向かって集束させるための光学要素を備える、請求項５に記載のレーザシステム。
【請求項７】
前記光学要素は、前記コントローラに応答して、（ｉ）前記入力レーザビームの伝搬方向と略平行な軸または（ｉｉ）前記入力レーザビームの前記伝搬方向と略垂直な１つまたは複数の軸のうちの少なくとも１つに沿って移動可能である、請求項６に記載のレーザシステム。
【請求項８】
前記光学要素は、１つまたは複数のレンズ、１つまたは複数のミラー、および／または１つまたは複数のプリズムを備える、請求項６に記載のレーザシステム。
【請求項９】
前記ビーム源は、前記コントローラに応答し、
前記コントローラは、前記入力レーザビームが複数の異なる内部結合場所間に指向されるときに前記入力レーザビームの出力パワーを変調することなく、前記入力レーザビームを前記複数の異なる内部結合場所上に指向するように構成される、
請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項１０】
前記コントローラは、前記入力レーザビームを少なくとも部分的に前記第１のクラッディングに重複する少なくとも１つの内部結合場所上に指向するように構成され、それによって、前記第１のクラッディングの中に内部結合されるビームエネルギーは、前記出力ビームの少なくとも一部を形成する、請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項１１】
前記第２の屈折率は、前記第３の屈折率より小さい、請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項１２】
前記第２の屈折率は、前記第３の屈折率とほぼ等しい、請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項１３】
前記第３の屈折率は、前記第１の屈折率より小さい、請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項１４】
前記第３の屈折率は、前記第１の屈折率より大きい、請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項１５】
前記ビーム源は、
複数の別個のビームを放出する１つまたは複数のビームエミッタと、
前記複数のビームを分散要素上に集束させるための集束光学部と、
集束されたビームを受信し、前記受信された集束されたビームを分散させるための分散要素と、
部分反射出力結合器であって、前記部分反射出力結合器は、前記分散されたビームを受信し、前記分散されたビームの一部をそれを通して前記入力レーザビームとして伝送し、前記分散されたビームの第２の部分を前記分散要素に向かって反射するように位置付けられている、部分反射出力結合器と
を備え、前記入力レーザビームは、複数の波長から構成されている、請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項１６】
前記分散要素は、回折格子を備える、請求項１５に記載のレーザシステム。
【請求項１７】
レーザビームのビームパラメータ積または開口数のうちの少なくとも１つを調節する方法であって、前記方法は、
入力端部および前記入力端部と反対の出力端部を有するステップクラッド光ファイバを提供することであって、前記ステップクラッド光ファイバは、（ｉ）第１の屈折率を有する中心コアと、（ｉｉ）前記中心コアを囲繞し、第２の屈折率を有する第１のクラッディングと、（ｉｉｉ）前記第１のクラッディングを囲繞し、第３の屈折率を有する環状コアと、（ｉｖ）前記環状コアを囲繞し、第４の屈折率を有する第２のクラッディングとを備え、（ｉ）前記第１の屈折率は、前記第４の屈折率より大きく、（ｉｉ）前記第３の屈折率は、前記第４の屈折率より大きく、（ｉｉｉ）前記第２の屈折率は、前記第１の屈折率より小さく、かつ、前記第４の屈折率より大きい、ことと、
入力レーザビームを前記ステップクラッド光ファイバの前記入力端部上の１つまたは複数の内部結合場所上に指向することであって、それによって、（ｉ）前記入力レーザビームは、前記ステップクラッド光ファイバの中に内部結合され、前記ステップクラッド光ファイバの前記出力端部から出力ビームとして放出され、（ｉｉ）前記出力ビームのビームパラメータ積または開口数のうちの少なくとも１つが、少なくとも部分的に、前記１つまたは複数の内部結合場所によって決定される、ことと
を含む、方法。
【請求項１８】
前記入力レーザビームは、複数の異なる内部結合場所上に指向される、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記入力レーザビームの出力パワーは、前記入力レーザビームが前記異なる内部結合場所間に指向されるときに変調されない、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記内部結合場所のうちの少なくとも１つは、少なくとも部分的に前記第１のクラッディングに重複し、それによって、前記第１のクラッディングの中に内部結合されるビームエネルギーは、前記出力ビームの少なくとも一部を形成する、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記第２の屈折率は、前記第３の屈折率より小さい、請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】
前記第２の屈折率は、前記第３の屈折率とほぼ等しい、請求項１７に記載の方法。
【請求項２３】
前記第３の屈折率は、前記第１の屈折率より小さい、請求項１７に記載の方法。
【請求項２４】
前記第３の屈折率は、前記第１の屈折率より大きい、請求項１７に記載の方法。
【請求項２５】
前記入力レーザビームは、ビーム源によって放出され、前記ビーム源は、
複数の別個のビームを放出する１つまたは複数のビームエミッタと、
前記複数のビームを分散要素上に集束させるための集束光学部と、
集束されたビームを受信し、前記受信された集束されたビームを分散させるための分散要素と、
部分反射出力結合器であって、前記部分反射出力結合器は、前記分散されたビームを受信し、前記分散されたビームの一部をそれを通して前記入力レーザビームとして伝送し、前記分散されたビームの第２の部分を前記分散要素に向かって反射するように位置付けられている、部分反射出力結合器と
を備え、前記入力レーザビームは、複数の波長から構成されている、請求項１７に記載の方法。
【請求項２６】
前記分散要素は、回折格子を備える、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
レーザビームのビームパラメータ積または開口数のうちの少なくとも１つを調節する方法であって、前記方法は、
入力端部および前記入力端部と反対の出力端部を有するステップクラッド光ファイバを提供することであって、前記ステップクラッド光ファイバは、（ｉ）第１の屈折率を有する中心コアと、（ｉｉ）前記中心コアを囲繞し、第２の屈折率を有する第１のクラッディングと、（ｉｉｉ）前記第１のクラッディングを囲繞し、第３の屈折率を有する環状コアと、（ｉｖ）前記環状コアを囲繞し、第４の屈折率を有する第２のクラッディングとを備え、（ｉ）前記第３の屈折率は、前記第４の屈折率より大きく、（ｉｉ）前記第３の屈折率は、前記第２の屈折率より大きい、ことと、
入力レーザビームを前記ステップクラッド光ファイバの前記入力端部上の１つまたは複数の内部結合場所上に指向することであって、それによって、（ｉ）前記入力レーザビームは、前記ステップクラッド光ファイバの中に内部結合され、前記ステップクラッド光ファイバの前記出力端部から出力ビームとして放出され、（ｉｉ）前記出力ビームのビームパラメータ積または開口数のうちの少なくとも１つが、少なくとも部分的に、前記１つまたは複数の内部結合場所によって決定される、ことと
を含み、前記内部結合場所のうちの少なくとも１つは、少なくとも部分的に前記第１のクラッディングに重複し、それによって、前記第１のクラッディングの中に内部結合されるビームエネルギーは、前記出力ビームの少なくとも一部を形成する、方法。
【請求項２８】
前記入力レーザビームは、複数の異なる内部結合場所上に指向される、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記入力レーザビームの出力パワーは、前記入力レーザビームが前記異なる内部結合場所間に指向されるときに変調されない、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記入力レーザビームは、ビーム源によって放出され、前記ビーム源は、
複数の別個のビームを放出する１つまたは複数のビームエミッタと、
前記複数のビームを分散要素上に集束させるための集束光学部と、
集束されたビームを受信し、前記受信された集束されたビームを分散させるための分散要素と、
部分反射出力結合器であって、前記部分反射出力結合器は、前記分散されたビームを受信し、前記分散されたビームの一部をそれを通して前記入力レーザビームとして伝送し、前記分散されたビームの第２の部分を前記分散要素に向かって反射するように位置付けられている、部分反射出力結合器と
を備え、前記入力レーザビームは、複数の波長から構成されている、請求項２７に記載の方法。
【請求項３１】
前記分散要素は、回折格子を備える、請求項３０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本願は、２０１６年４月６日に出願された米国仮特許出願第６２／３１８，９５９号の利益および優先権を主張し、これにより、その開示全体が、参照によって本明細書に援用される。
【０００２】
（技術分野）
種々の実施形態では、本発明は、レーザシステムに関し、具体的には、制御可能ビームプロファイル、例えば、可変ビームパラメータ積を伴うレーザシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
（背景）
高パワーレーザシステムが、溶接、切断、穿孔、および材料処理等の異なる用途の集合のために利用される。そのようなレーザシステムは、典型的には、レーザエミッタであって、それからのレーザ光が光ファイバ（または単に「ファイバ」）の中に結合されるレーザエミッタと、ファイバからのレーザ光を処理されるべきワークピース上に集束させる光学システムとを含む。光学システムは、典型的には、最高品質レーザビーム、または言い換えると、最低ビームパラメータ積（ＢＰＰ）を伴うビームを生成するように設計される。ＢＰＰは、レーザビームの発散角（半角）と、その最狭点（すなわち、ビームウェスト、最小スポットサイズ）におけるビームの半径との積である。すなわち、ＢＰＰ＝ＮＡ×Ｄ／２であり、式中、Ｄは、集束スポット（ウェスト）直径であり、ＮＡは、開口数である。したがって、ＢＰＰは、ＮＡおよび／またはＤを変動させることによって変動させられ得る。ＢＰＰは、レーザビームの品質、および、レーザビームがどの程度良好に小さなスポットに集束され得るかを定量化し、典型的には、ミリメートル−ミリラジアン（ｍｍ−ｍｒａｄ）の単位で表される。ガウスビームは、πによって除算されるレーザ光の波長によって求められる最低可能ＢＰＰを有する。同一波長における実際のビームのＢＰＰと理想的ガウスビームのＢＰＰとの比率は、Ｍ２として示され、これは、ビーム品質の波長独立測定値である。
【０００４】
多くのレーザ処理用途では、所望のビームスポットサイズ、発散、およびビーム品質は、例えば、処理のタイプおよび／または処理されている材料のタイプに依存して変動し得る。これは、特に、材料処理用途における産業レーザに当てはまる。例えば、より低いＢＰＰ値、すなわち、より良好なビーム品質が、薄い金属を切断するために好ましくあり得る一方、より大きいＢＰＰ（すなわち、より粗悪なビーム品質）が、より厚い金属を通して切断するために好ましくあり得る。そのような変更をレーザシステムのＢＰＰに行うために、頻繁に、出力光学システムまたは光ファイバが、他の構成要素と交換および／または再整合されなければならず、時間がかかり、かつ高価なプロセスとなり、これはさらに、レーザシステムの脆弱な光学構成要素の不注意な損傷につながり得る。したがって、光ファイバの出力におけるレーザビームまたは光学システムに対するそのような調節を伴わない、レーザシステムのＢＰＰを変動させるための代替技法の必要性が存在する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（概要）
本発明の種々の実施形態は、システム（すなわち、その出力レーザビーム）のＢＰＰが、光学パワー損失を最小限にまたは実質的に排除しながら、レーザシステムの開口数（ＮＡ）およびスポットサイズ（Ｄ）の操作を介して変動される、レーザシステムを提供する。本発明の実施形態は、本明細書で「ステップクラッドファイバ」と称されるマルチクラッド光ファイバにレーザビームを結合することを伴う。１つの例示的ステップクラッドファイバは、中心コアと、中心コアの周囲に配置される第１のクラッディングと、第１のクラッディングの周囲に配置される第１の環状コアと、第１の環状コアの周囲に配置される第２のクラッディングとを含むか、それらから本質的に成るか、またはそれらから成る。本発明の実施形態によるステップクラッドファイバは、単一環状コアおよび２つのクラッディングのみを有するものに限定されず、１つまたは複数の付加的環状コアおよび関連付けられたクラッディングが、第２のクラッディングの周囲に配置されてもよい。本明細書で利用される場合、用語「環状コア」は、それに隣接する内側層および外側層の両方より高い屈折率を有するリング形状の領域として定義される。中心コアおよび環状コア（単数または複数）以外の層は、典型的には、ステップクラッドファイバ内のクラッディングである。そのようなクラッディングは、それに隣接する少なくとも１つの層より低い屈折率を有する。
【０００６】
従来の光ファイバがレーザシステム内で利用されるとき、レーザパワーは、典型的には、コアの中にのみ結合されることが意図される。クラッディング上の任意のパワー「オーバースプレー」は、パワーの損失をもたらし、かつ／または、ファイバの下流の光学部への有害な要因となる。対照的に、本発明の実施形態によるステップクラッドファイバを利用するレーザシステムは、意図的に、部分的または全部のレーザパワーを少なくとも第１のクラッディングの中に結合させ、第１のクラッディングは、具体的には、従来のマルチクラッドファイバの内部クラッディング層のものより高い屈折率およびより大きい直径を伴って設計される。例えば、従来の標準的またはマルチクラッド１００−μｍ−コア光ファイバに関するわずか１１０μｍ〜１２０μｍと比較して、本発明の実施形態による第１のクラッディングの直径は、１００μｍの中心コア直径を有するファイバに関して、約１４０μｍ〜約１８０μｍに及び得る。種々の実施形態では、第１のクラッディング層の厚さは、例えば、約４０μｍ〜約１００μｍ、または、約４０〜約８０μｍに及び得る。
【０００７】
本発明の実施形態では、ステップクラッドファイバの利用は、コアの直径およびコア内のパワー比率だけではなく、第１のクラッディングの厚さおよび屈折率ならびに第１のクラッディング（および／または存在する場合、付加的クラッディング）内のパワー比率にも基づいて、レーザシステムＢＰＰの変動を可能にする。ステップクラッドファイバの第１のクラッディングの中に結合されるレーザパワーは、第１の環状コアによって閉じ込められ、高度なＢＰＰ変動を可能にする。さらに、本発明の実施形態による、環状コア（単数または複数）の中への結合は、「間隙」または低レーザパワーもしくは無レーザパワーのエリアをその中に伴わずに、均一プロファイルを有する出力ビームの形成を可能にする。対照的に、クラッディング層の中への結合が不可能でありかつ／または能動的に回避される従来の技法は、概して、出力ビームプロファイル内に間隙（例えば、環状間隙）を有する出力ビームをもたらす。本発明の実施形態は、半径または直径の関数として変動する出力ビームプロファイルを生成するために利用され得るが、高強度エリア間のエリアでさえ、典型的には、レーザビーム強度を含み（したがって、非「空」であり）、かつ／または任意の低強度もしくは空領域は、特に、従来の技法によって生成された出力ビームと比較して、空間範囲内で非常に限定される。
【０００８】
本発明の実施形態はさらに、実質的に、パワーがステップクラッドファイバの１つまたは複数の環状コア領域の中に結合されない変形例を含む。本発明の実施形態は、典型的には、出力スポットサイズＤおよびＮＡの両方の変動を介して、レーザシステムのＢＰＰを変動させ、したがって、従来の技法より大きい範囲のＢＰＰ変動を提供する。所与のＢＰＰ変動範囲に関して、本発明の実施形態は、従来のシステムにおいて必要とされるものよりはるかに小さい直径の第１の環状コアを有するステップクラッドファイバの使用を可能にする。したがって、本発明の実施形態は、希釈されるパワー密度がはるかに少ない、はるかにより小さいスポットサイズの高ＢＰＰレーザビームを発生させる。すなわち、スポットサイズＤにおけるより小さい変化が、本発明の実施形態によると、ＢＰＰを変動させるために必要とされ（ＮＡもまた、同時に、変動され得るため）、それによって、パワー密度のより少ない希釈につながる。例えば、本発明の実施形態による、第１の環状コアの直径は、約３００μｍ〜約４００μｍ（例えば、約３６０μｍ）に及び得る。種々の実施形態による、第１の環状コアの厚さは、例えば、約６０μｍ〜約１５０μｍ、約８０μｍ〜約１２０μｍ、約９０μｍ〜約１１０μｍ、または約１００μｍであり得る。
【０００９】
本明細書では、「光学要素」は、レンズ、ミラー、プリズム、格子、および同等物のいずれかを指し得、これは、別様に示されない限り、電磁放射を再指向する、反射する、屈曲させる、または任意の他の様式において光学的に操作する。本明細書では、ビームエミッタ、エミッタ、またはレーザエミッタ、またはレーザは、半導体要素等の任意の電磁ビーム発生デバイスを含み、これは、電磁ビームを発生させるが、自己共振してもよいし、または自己共振しなくてもよい。これらはまた、ファイバレーザ、ディスクレーザ、非ソリッドステートレーザ等を含む。概して、各エミッタは、背面反射表面と、少なくとも１つの光学利得媒体と、正面反射表面とを含む。光学利得媒体は、電磁スペクトルの任意の特定の部分に限定されないが、可視光、赤外光、および／または紫外光であり得る電磁放射の利得を増加させる。エミッタは、複数のビームを放出するように構成されるダイオードバー等の複数のビームエミッタを含み得るか、またはそれから本質的に成り得る。本明細書における実施形態において受信される入力ビームは、単波長または当技術分野において公知の種々の技法を使用して組み合わせられる複数波長ビームであってもよい。
【００１０】
本発明の実施形態は、複数波長ビームを形成するように分散要素を使用して組み合わせられる、１つまたは複数のダイオードバー等の複数のエミッタを含む波長ビーム結合（ＷＢＣ）システムとともに利用されてもよい。ＷＢＣシステム内の各エミッタは、個別に共振し、ビーム結合次元に沿って分散要素によってフィルタリングされる、共通部分反射出力結合器からの波長特異的フィードバックを通して安定させられる。例示的ＷＢＣシステムは、２０００年２月４日に出願された米国特許第６，１９２，０６２号、１９９８年９月８日に出願された米国特許第６，２０８，６７９号、２０１１年８月２５日に出願された米国特許第８，６７０，１８０号、および２０１１年３月７日に出願された米国特許第８，５５９，１０７号で詳述され、これらのそれぞれの開示全体が参照によって本明細書に援用される。ＷＢＣシステムの複数波長出力ビームが、例えば、ＢＰＰ制御のために、本発明の実施形態と併せて、入力ビームとして利用されてもよい。
【００１１】
ある側面では、本発明の実施形態は、入力レーザビームの放出のためのビーム源と、入力端部および入力端部と反対の出力端部を有するステップクラッド光ファイバと、内部結合機構と、コントローラとを含むか、それらから本質的に成るか、またはそれらから成るレーザシステムを特徴とする。ステップクラッド光ファイバは、（ｉ）第１の屈折率を有する中心コアと、（ｉｉ）中心コアを囲繞し、第２の屈折率を有する第１のクラッディングと、（ｉｉｉ）第１のクラッディングを囲繞し、第３の屈折率を有する環状コアと、（ｉｖ）環状コアを囲繞し、第４の屈折率を有する第２のクラッディングとを含むか、それらから本質的に成るか、またはそれらから成る。第１の屈折率は、第４の屈折率より大きい。第３の屈折率は、第４の屈折率より大きい。第２の屈折率は、第１の屈折率より小さく、かつ、第４の屈折率より大きい。内部結合機構は、入力レーザビームを受信し、入力レーザビームをステップクラッド光ファイバの入力端部に向かって指向し、それによって、入力レーザビームは、ステップクラッド光ファイバの中に内部結合され、ステップクラッド光ファイバの出力端部から出力ビームとして放出される。コントローラは、入力レーザビームをステップクラッド光ファイバの入力端部上の１つまたは複数の内部結合場所上に指向するように内部結合機構を制御し、それによって、出力ビームのビームパラメータ積または開口数のうちの少なくとも１つが、少なくとも部分的に、１つまたは複数の内部結合場所によって決定される。
【００１２】
本発明の実施形態は、以下の種々の組み合わせのいずれかのうちの１つまたは複数のものを含んでもよい。内部結合場所のうちの少なくとも１つは、少なくとも部分的に、中心コアに重複してもよい。内部結合場所のうちの少なくとも１つは、少なくとも部分的に第１のクラッディングに重複してもよい。内部結合場所のうちの少なくとも１つは、少なくとも部分的に、環状コアに重複してもよい。内部結合場所のうちの少なくとも１つは、少なくとも部分的に、第２のクラッディングに重複してもよい。内部結合場所のうちの少なくとも１つは、少なくとも部分的に、中心コア、第１のクラッディング、環状コア、または第２のクラッディングのうちの２つまたはそれより多いものに重複してもよい。内部結合機構は、入力レーザビームをステップクラッド光ファイバの入力端部に向かって集束させるための光学要素を含み得るか、それから本質的に成り得るか、またはそれから成り得る。光学要素は、コントローラに応答して、（ｉ）入力レーザビームの伝搬方向と略平行な軸、および／または（ｉｉ）入力レーザビームの伝搬方向と略垂直な１つまたは複数の軸に沿って移動可能（例えば、平行移動可能、回転可能、および／または傾斜可能）であってもよい。内部結合機構は、入力レーザビームを受信し、入力レーザビームをステップクラッド光ファイバに向かって反射するための反射体を含み得るか、それから本質的に成り得るか、またはそれから成り得る。光学要素は、１つまたは複数のレンズ、１つまたは複数のミラー、および／または、１つまたは複数のプリズムを含み得るか、それらから本質的に成り得るか、またはそれらから成り得る。内部結合機構は、入力レーザビームを受信し、入力レーザビームをステップクラッド光ファイバに向かって反射するための反射体を含み得るか、それから本質的に成り得るか、またはそれから成り得、反射体は、コントローラに応答して回転可能である。内部結合機構は、入力レーザビームを反射体から受信し、入力レーザビームをステップクラッド光ファイバに向かって集束させるための光学要素を含んでもよい。光学要素は、コントローラに応答して、（ｉ）入力レーザビームの伝搬方向と略平行な軸、および／または（ｉｉ）入力レーザビームの伝搬方向と略垂直な１つまたは複数の軸に沿って移動可能（例えば、平行移動可能、回転可能、および／または傾斜可能）であってもよい。光学要素は、１つまたは複数のレンズ、１つまたは複数のミラー、および／または、１つまたは複数のプリズムを含み得るか、それらから本質的に成り得るか、またはそれらから成り得る。
【００１３】
ビーム源は、コントローラに応答してもよい。コントローラは、入力レーザビームが異なる内部結合場所間に指向されるときに入力レーザビームの出力パワーを変調する（例えば、強度を変調する、またはオフに切り替える）ことなく、入力レーザビームを複数の異なる内部結合場所上に指向するように構成されてもよい。コントローラは、入力レーザビームを少なくとも部分的に第１のクラッディングに重複する少なくとも１つの内部結合場所上に指向するように構成されてもよく、それによって、第１のクラッディングの中に内部結合されるビームエネルギーは、出力ビームの少なくとも一部を形成する。第１のクラッディングの中に内部結合されるビームエネルギーは、環状コアと第２のクラッディングとの間の界面においてステップクラッド光ファイバ内に閉じ込められてもよい。第２の屈折率は、第３の屈折率より小さくてもよい。第２の屈折率は、第３の屈折率とほぼ等しくてもよい。第３の屈折率は、第１の屈折率より小さくてもよい。第３の屈折率は、第１の屈折率より大きくてもよい。ビーム源は、（それぞれおよび／または集合的に）複数の別個のビームを放出する、１つまたは複数のビームエミッタと、集束光学部と、分散要素と、部分反射出力結合器とを含み得るか、それらから本質的に成り得るか、またはそれらから成り得る。別個のビームはそれぞれ、異なる波長を有してもよい。集束光学部は、複数のビームを分散要素上に集束させてもよい。分散要素は、受信された集束されたビームを受信し、分散（すなわち、波長分散）させてもよい。部分反射出力結合器は、分散されたビームを受信し、分散されたビームの一部をそれを通して入力レーザビームとして伝送し、分散されたビームの第２の部分を分散要素に向かって反射するように位置付けられてもよい。入力レーザビームは、複数の波長から構成されてもよい。分散要素は、１つまたは複数の回折格子（例えば、透過格子および／または反射格子）を含んでもよい。
【００１４】
別の側面では、本発明の実施形態は、レーザビームのビームパラメータ積および／または開口数を調節する方法を特徴とする。入力端部および入力端部と反対の出力端部を有するステップクラッド光ファイバが、提供される。ステップクラッド光ファイバは、（ｉ）第１の屈折率を有する中心コアと、（ｉｉ）中心コアを囲繞し、第２の屈折率を有する第１のクラッディングと、（ｉｉｉ）第１のクラッディングを囲繞し、第３の屈折率を有する環状コアと、（ｉｖ）環状コアを囲繞し、第４の屈折率を有する第２のクラッディングとを含むか、それらから本質的に成るか、またはそれらから成る。第１の屈折率は、第４の屈折率より大きい。第３の屈折率は、第４の屈折率より大きい。第２の屈折率は、第１の屈折率より小さく、かつ、第４の屈折率より大きい。入力レーザビームは、ステップクラッド光ファイバの入力端部上の１つまたは複数の内部結合場所上に指向され、それによって、（ｉ）入力レーザビームは、ステップクラッド光ファイバの中に内部結合され、ステップクラッド光ファイバの出力端部から出力ビームとして放出され、（ｉｉ）出力ビームのビームパラメータ積または開口数のうちの少なくとも１つが、少なくとも部分的に、１つまたは複数の内部結合場所によって決定される。
【００１５】
本発明の実施形態は、以下の種々の組み合わせのいずれかのうちの１つまたは複数のものを含んでもよい。内部結合場所のうちの少なくとも１つは、少なくとも部分的に、中心コアに重複してもよい。内部結合場所のうちの少なくとも１つは、少なくとも部分的に第１のクラッディングに重複してもよい。内部結合場所のうちの少なくとも１つは、少なくとも部分的に、環状コアに重複してもよい。内部結合場所のうちの少なくとも１つは、少なくとも部分的に、第２のクラッディングに重複してもよい。内部結合場所のうちの少なくとも１つは、少なくとも部分的に、中心コア、第１のクラッディング、環状コア、または第２のクラッディングのうちの２つまたはそれより多いものに重複してもよい。入力レーザビームは、複数の異なる内部結合場所上に指向され、異なる開口数および／またはビームパラメータ積を有する単一出力ビームまたは複数の出力ビームを生成してもよい。入力レーザビームの出力パワーは、入力レーザビームが異なる内部結合場所間に指向されるときに、変調されなくてもよい（例えば、減少させられなくてもよく、またはオフに切り替えられなくてもよい）。内部結合場所のうちの少なくとも１つは、少なくとも部分的に第１のクラッディングに重複してもよく、それによって、第１のクラッディングの中に内部結合されるビームエネルギーは、出力ビームの少なくとも一部を形成する。第１のクラッディングの中に内部結合されるビームエネルギーは、環状コアと第２のクラッディングとの間の界面においてステップクラッド光ファイバ内に閉じ込められてもよい。第２の屈折率は、第３の屈折率より小さくてもよい。第２の屈折率は、第３の屈折率とほぼ等しくてもよい。第３の屈折率は、第１の屈折率より小さくてもよい。第３の屈折率は、第１の屈折率より大きくてもよい。入力レーザビームは、ビーム源によって放出されてもよい。ビーム源は、（それぞれおよび／または集合的に）複数の別個のビームを放出する１つまたは複数のビームエミッタと、集束光学部と、分散要素と、部分反射出力結合器とを含み得るか、それらから本質的に成り得るか、またはそれらから成り得る。別個のビームはそれぞれ、異なる波長を有してもよい。集束光学部は、複数のビームを分散要素上に集束させてもよい。分散要素は、受信された集束されたビームを受信し、分散（すなわち、波長分散）させてもよい。部分反射出力結合器は、分散されたビームを受信し、分散されたビームの一部をそれを通して入力レーザビームとして伝送し、分散されたビームの第２の部分を分散要素に向かって反射するように位置付けられてもよい。入力レーザビームは、複数の波長から構成されてもよい。分散要素は、１つまたは複数の回折格子（例えば、透過格子および／または反射格子）を含んでもよい。
【００１６】
さらに別の側面では、本発明の実施形態は、レーザビームのビームパラメータ積または開口数のうちの少なくとも１つを調節する方法を特徴とする。入力端部および入力端部と反対の出力端部を有するステップクラッド光ファイバが、提供される。ステップクラッド光ファイバは、（ｉ）第１の屈折率を有する中心コアと、（ｉｉ）中心コアを囲繞し、第２の屈折率を有する第１のクラッディングと、（ｉｉｉ）第１のクラッディングを囲繞し、第３の屈折率を有する環状コアと、（ｉｖ）環状コアを囲繞し、第４の屈折率を有する第２のクラッディングとを含むか、それらから本質的に成るか、またはそれらから成る。第３の屈折率は、第４の屈折率より大きい。第３の屈折率は、第２の屈折率より大きい。入力レーザビームは、ステップクラッド光ファイバの入力端部上の１つまたは複数の内部結合場所上に指向され、それによって、（ｉ）入力レーザビームは、ステップクラッド光ファイバの中に内部結合され、ステップクラッド光ファイバの出力端部から出力ビームとして放出され、（ｉｉ）出力ビームのビームパラメータ積または開口数のうちの少なくとも１つが、少なくとも部分的に、１つまたは複数の内部結合場所によって決定される。内部結合場所のうちの少なくとも１つは、少なくとも部分的に第１のクラッディングに重複し、それによって、第１のクラッディングの中に内部結合されるビームエネルギーは、出力ビームの少なくとも一部を形成する。
【００１７】
本発明の実施形態は、以下の種々の組み合わせのいずれかのうちの１つまたは複数のものを含んでもよい。内部結合場所のうちの少なくとも１つは、少なくとも部分的に、中心コアに重複してもよい。内部結合場所のうちの少なくとも１つは、少なくとも部分的に、環状コアに重複してもよい。内部結合場所のうちの少なくとも１つは、少なくとも部分的に、第２のクラッディングに重複してもよい。内部結合場所のうちの少なくとも１つは、少なくとも部分的に、中心コア、第１のクラッディング、環状コア、または第２のクラッディングのうちの２つまたはそれより多いものに重複してもよい。入力レーザビームは、複数の異なる内部結合場所上に指向され、異なる開口数および／またはビームパラメータ積を有する単一出力ビームもしくは複数の出力ビームを生成してもよい。入力レーザビームの出力パワーは、入力レーザビームが異なる内部結合場所間に指向されるときに、変調されなくてもよい（例えば、減少させられなくてもよく、またはオフに切り替えられなくてもよい）。入力レーザビームは、ビーム源によって放出されてもよい。ビーム源は、（それぞれおよび／または集合的に）複数の別個のビームを放出する１つまたは複数のビームエミッタと、集束光学部と、分散要素と、部分反射出力結合器とを含み得るか、それらから本質的に成り得るか、またはそれらから成り得る。別個のビームはそれぞれ、異なる波長を有してもよい。集束光学部は、複数のビームを分散要素上に集束させてもよい。分散要素は、受信された集束されたビームを受信し、分散（すなわち、波長分散）させてもよい。部分反射出力結合器は、分散されたビームを受信し、分散されたビームの一部をそれを通して入力レーザビームとして伝送し、分散されたビームの第２の部分を分散要素に向かって反射するように位置付けられてもよい。入力レーザビームは、複数の波長から構成されてもよい。分散要素は、１つまたは複数の回折格子（例えば、透過格子および／または反射格子）を含んでもよい。
【００１８】
これらおよび他の目的は、本明細書に開示される本発明の利点ならびに特徴とともに、以下の説明、添付図面、および特許請求の範囲の参照を通して、より明白となる。さらに、本明細書に説明される種々の実施形態の特徴は、相互排他的ではなく、種々の組み合わせおよび順列で存在し得ることを理解されたい。本明細書で使用される場合、「実質的に」という用語は、±１０％、いくつかの実施形態では、±５％を意味する。「本質的に〜から成る」という用語は、本明細書で別様に定義されない限り、機能に寄与する他の材料を除外することを意味する。それでもなお、そのような他の材料が、集合的または個別に、微量で存在し得る。本明細書では、「放射線」および「光」という用語は、別様に指示されない限り、同義的に利用される。本明細書で、「下流」または「光学的に下流」は、第１の要素に衝突後に光ビームが当たる第２の要素の相対的場所を示すために利用され、第１の要素は、第２の要素の「上流」または「光学的に上流」にある。本明細書では、２つの構成要素間の「光学距離」は、光ビームによって実際に進行される、２つの構成要素間の距離であり、光学距離は、２つの構成要素間の物理的距離と等しくてもよいが、例えば、構成要素のうちの一方から他方に進行する光によって被られる、ミラーからの反射または伝搬方向における他の変化に起因して、必ずしもそうではなくてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
図面中、同様の参照文字は、概して、異なる図全体を通して、同一の部品を指す。また、図面は、必ずしも、正確な縮尺ではなく、代わりに、概して、本発明の原理を図示する際に強調が置かれる。以下の説明では、本発明の種々の実施形態が、以下の図面を参照して説明される。
【００２０】
【図１】図１Ａは、従来の二重クラッドファイバと、コアおよびそのクラッディングの中に伝送される光学光線の概略図である。図１Ｂは、図１Ａのファイバの種々の層の屈折率の概略図である。図１Ｃは、図１Ａのファイバから発出する典型的レーザビームの平面図である。
【図２】図２Ａは、本発明の種々の実施形態による、ステップクラッドファイバと、中心コアおよびその第１のクラッディングの中に伝送される光学光線の概略図である。図２Ｂは、本発明の実施形態による、図２Ａのステップクラッドファイバの種々の層の屈折率の概略図である。図２Ｃは、本発明の実施形態による、図２Ａのステップクラッドファイバから発出するレーザビームの平面図である。
【図３】図３Ａは、本発明の種々の実施形態による、ステップクラッドファイバの概略図である。図３Ｂは、本発明の実施形態による、図３Ａのステップクラッドファイバの種々の層の屈折率の概略図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の実施形態による、ステップクラッドファイバを利用するレーザシステムの一部の概略図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の実施形態による、図４Ａのレーザシステムに関する反射体傾斜の関数としての出力ＢＰＰの変動のグラフである。
【図４Ｃ】図４Ｃは、本発明の実施形態による、図４Ａのレーザシステムに関する反射体傾斜の関数としての出力ＮＡの変動のグラフである。
【図５】図５および図６は、本発明の実施形態による、ステップクラッドファイバおよび調節可能レンズを利用するレーザシステムの一部の概略図である。
【図６】図５および図６は、本発明の実施形態による、ステップクラッドファイバおよび調節可能レンズを利用するレーザシステムの一部の概略図である。
【図７】図７は、本発明の種々の実施形態による、レーザシステムのための入力ビームを供給するために利用され得る、波長ビーム組み合わせレーザシステムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
（詳細な説明）
図１Ａは、中心コア１０５と、内部クラッディング１１０と、環状コア１１５と、外部クラッディング１２０とを有する、従来の二重クラッドファイバ１００を示す。ファイバ１００の各層（コアまたはクラッディング）の半径は、図１Ｂに示されるように、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、またはＲ４によって表される。従来の二重クラッドファイバ１００では、２つのコア１０５、１１５は、図１Ｂに示されるように、典型的には、同一のより高い屈折率ＮＨを有し、２つのクラッディング１１０、１２０は、典型的には、同一のより低い屈折率ＮＬを有し、したがって、２つのコア１０５、１１５は、ｓｑｒｔ（ＮＨ２−ＮＬ２）という同一ＮＡを有する。
【００２２】
図１Ａはまた、ファイバ１００内の３つの代表的光線の伝送を描写する。光線１２５は、中心コア１０５の中に結合され、中心コア１０５によって閉じ込められ、中心コア１０５に入射したものと同一角度において中心コア１０５から出射する。光線１３０および光線１３５は、内部クラッディング１１０の中に伝送され、ファイバエリア全体内に伝搬し、外部クラッディング１２０によって閉じ込められる。出射表面（図１Ａでは、ファイバ１００の右縁）は、２つの異なる屈折率を有する領域を含むため、内部クラッディング（低屈折率を有する）の中に結合されかつ出射表面における低屈折率領域から出射する光線１３０は、典型的には、入力角度と等しい出射角度を有する。内部クラッディングの中に結合されかつ出射表面におけるより高屈折率領域から出射する光線１３５は、典型的には、図１Ａに示されるように、入力角度より大きい、出射角度を有する。
【００２３】
図１Ｃは、レーザビームが中心コア１０５および内部クラッディング１１０の両方の中に伝送されるときの従来の二重クラッドファイバ１００の出射表面からのある距離において観察される、出力プロファイル１４０の画像である。示されるように、出力プロファイル１４０は、丸い中心エリア１４５および外側リングエリア１５０のビーム強度の２つの明確に分離されたエリアを含む。エリア１４５、１５０は、上記に詳述されるようなファイバ１００からの出射角度の２つの集団に属する、２つの光線群の集合に対応する。光線１２５および光線１３０に類似する光線は、その入力角度と等しい角度において出射し、中心の丸いエリア１４５に寄与する一方、光線１３５に類似する光線は、その入力角度より大きい角度において出射し、したがって、外側リングエリア１５０を形成する。ごく大雑把には、ファイバ屈曲および非均一性に起因する任意のＮＡ劣化を考慮しない場合、中心の丸いエリアビームのＮＡは、典型的には、レーザ入力ＮＡと同一である。しかしながら、ｓｑｒｔ（ＮＡＦ２＋ＮＡＩＮ２）によって計算される、外側リングビーム１５０のＮＡは、入力ＮＡ（ＮＡＩＮ）より実質的に大きく、また、ファイバＮＡ（ＮＡＦ）よりも大きく、ＮＡＦ＝ｓｑｒｔ（ＮＨ２−ＮＬ２）である。
【００２４】
二重クラッドファイバ１００の内部クラッディング１００は、比較的に薄く、レーザエネルギーの内部結合のために意図されていない。１００μｍ−コアの従来の二重クラッドファイバ１００に関して、第１のクラッディングの直径は、通常、約１１０〜１２０μｍの範囲内、すなわち、層厚約５〜１０μｍである。しかしながら、図１Ａにおいて光線１３０、１３５によって表されるようなファイバ１００の内部クラッディングに入射するビームパワーは、必然的に、外側クラッディング１２０にわたって拡散し、典型的には、モードストリッパによって除去されるか、または、大部分が図１Ｃに示される外側リングエリア１５０を形成するようにファイバ１００を通して伝送されるかのいずれかである。前者は、モードストリッパおよびファイバ１００を焼失させる大きなリスクを呈し得、後者は、外側リングビーム１５０の大きなＮＡに起因して、ファイバ１００の下流の光学部を損傷させ得る。
【００２５】
本発明の実施形態は、図２Ａに図示されるように、ステップクラッド光ファイバを利用するレーザシステムを含む。種々の実施形態によると、ステップクラッドファイバ２００は、中心コア２０５と、第１のクラッディング２１０と、環状コア２１５と、第２のクラッディング２２０とを含むか、それらから本質的に成るか、または、それらから成る。有利には、第１のクラッディング２１０の種々の性質は、少なくとも部分的に、第１のクラッディング２１０の中に結合されるパワーに基づいて、ＢＰＰ変動を可能にする。図２Ｃは、ステップクラッドファイバ２００の中に結合されるレーザビームエネルギーに関する例示的出力プロファイル２２５を描写する。示されるように、出力プロファイル２２５は、ファイバ２００からのある距離において観察される場合、中心の丸いエリア２３０と、外側リングエリア２３５とを含む。しかしながら、図２Ｃに示される外側リングエリア２３５は、典型的には、図１Ｃに描写される対応するエリア１５０よりはるかに小さいＮＡを有する。したがって、エリア２３５内のエネルギーは、ファイバ２００の下流の光学部によって安全に受け取られ得る。例えば、外側リングエリア２３５は、０．１の入力レーザＮＡに関して、０．１８未満、０．１７未満、０．１６未満、または０．１５よりもさらに小さいＮＡを有し得る。対照的に、対応するエリア１５０は、０．１の入力レーザＮＡに関して、少なくとも０．２４のＮＡを有し得る。種々の実施形態では、任意の外側リングエリア２３５のＮＡは、入力レーザのＮＡの約１８０％未満、入力レーザのＮＡの約１７０％未満、入力レーザのＮＡの約１６０％未満、または入力レーザのＮＡの約１５０％よりもさらに小さくあり得る。種々の実施形態では、任意の外側リングエリアのＮＡと入力レーザのＮＡとの間の差異は、約０．０８未満、約０．０７未満、約０．０６未満、または約０．０５よりもさらに小さくあり得る。種々の実施形態では、任意の外側リングエリアのＮＡと入力レーザのＮＡとの間の差異は、少なくとも約０．００５または少なくとも約０．０１でさえあり得る。種々の実施形態では、任意の外側リングエリアのＮＡとステップクラッドファイバのＮＡとの間の差異は、０．０４未満、０．０３未満、０．０２未満、または０．０１未満であり得る。種々の実施形態では、任意の外側リングエリアのＮＡとステップクラッドファイバのＮＡとの間の差異は、少なくとも０．００１または少なくとも０．００５でさえあり得る。
【００２６】
図２Ａに描写されるように、中心コア２０５の中に伝送される光線２４０は、典型的には、中心コア２０５によって閉じ込められる。第１のクラッディング２１０の中に伝送される光線２４５、２５０は、概して、第１の環状コア２１５によって閉じ込められる。光線２４０、２４５は、典型的には、その対応する入力角度と等しい角度において出射し、図２Ｃに示される中心の丸いエリア２３０を形成する一方、光線２５０は、その対応する入力角度より若干大きい角度において出射し、外側リングエリア２３５を形成する。上記に説明されるファイバ１００と全く対照的に、第１のクラッディング２１０の中に放出される光線は、概して、外側クラッディング２２０に到達せず、したがって、ファイバ２００またはその関連付けられた光学部を損傷（例えば、焼失）させるリスクを呈さない。本発明の種々の実施形態では、ステップクラッドファイバ２００は、第１のクラッディング２１０の中への入力レーザパワーの全部または一部の内部結合のために構成される。そのような内部結合されるパワーは、損失されない、またはファイバ２００を損傷させるリスクを呈さない。むしろ、出力ビームのＢＰＰ変動に対する主要な寄与となり得る。
【００２７】
図２Ｂは、ステップクラッドファイバ２００の各層の屈折率および半径を描写する。図１Ｂに示されるファイバ１００の屈折率と対照的に、ファイバ２００の第１のクラッディング２１０の屈折率（ＮＭ）は、高屈折率ＮＨ（必ずしも、図１Ｂの高屈折率ではない）と低屈折率ＮＬ（必ずしも、図１Ｂの低屈折率ではない）との間の値を有し、その結果、中心コア２０５が、ｓｑｒｔ（ＮＨ２−ＮＬ２）によって与えられる環状コア２１５のＮＡよりも小さい、ｓｑｒｔ（ＮＨ２−ＮＭ２）によって与えられるＮＡを有する。図２Ｂは、中心コア２０５および環状コア２１５の屈折率が相互にほぼ等しいように描写するが、種々の実施形態では、環状コア２１５の屈折率は、中心コア２０５の屈折率と異なり得る（すなわち、それ未満かまたはそれより大きいかのいずれかであり得る）。しかしながら、一般に、環状コア２１５の屈折率は、第１のクラッディング２１０の屈折率より大きいままである。
【００２８】
所与のレーザ入力ＮＡ（ＮＡＩＮ）に関して、屈折率ＮＨとＮＭとの間の差異は、少なくとも部分的に、図２Ｃに示される外側リングビーム２３５のＮＡを画定し、このＮＡは、ｓｑｒｔ（ＮＨ２−ＮＭ２＋ＮＡＩＮ２）によって与えられる。ＮＨとＮＭとの間の屈折率差が小さいほど、外側リングＮＡは小さくなる。しかしながら、ＮＨとＮＭとの間の屈折率差を低減することは、典型的には、中心コア２０５のＮＡもまた減少させ、したがって、中心コア２０５から逃散するより多くの光線をもたらし得る。そのような光線は、環状コア２１５によって閉じ込められるが、中心コア２０５から逃散する光線は、最良可能ＢＰＰを劣化させ得る、すなわち、出力ビームのためのより高い初期ＢＰＰ値をもたらし得る。
【００２９】
種々の実施形態では、ステップクラッドファイバ２００の中心コア２０５のＮＡは、約０．０７〜約０．１７、または、約０．０９〜約０．１４にさえ及ぶ。種々の実施形態では、第１のクラッディング２１０の有効ＮＡは、約０．０９より大きい、または、約０．１２よりさらに大きい。種々の実施形態では、第１の環状コア２１５の屈折率は、中心コア２０５の屈折率と等しいまたはそれより小さい。
【００３０】
種々の実施形態では、第１の環状コアは、図３Ａおよび図３Ｂに示されるように、第１のクラッディングと同一屈折率を有し、図３Ａおよび図３Ｂにおいて、図２Ａからの第１の環状コアは、第１のクラッディングの中に融合している。示されるように、そのようなステップクラッドファイバ３００は、中心コア３０５と、第１のクラッディング３１０と、第２のクラッディング３１５とを含むか、それらから本質的に成るか、またはそれらから成る。図３Ｂに示されるように、第１のクラッディング３１０の屈折率（ＮＭ）は、中心コア（ＮＨ）の屈折率と第２のクラッディング（ＮＬ）の屈折率との間にある。（全ての屈折率値は、必ずしも、図１Ｂおよび図２Ｂに描写される値と同一ではない。）種々の実施形態では、ステップクラッドファイバ３００の中心コア３０５のＮＡは、約０．０７〜約０．１７、または、約０．０９〜約０．１４にさえ及ぶ。種々の実施形態では、ステップクラッドファイバ３００の第１のクラッディング３１０のＮＡは、約０．０９より大きい、または、約０．１２よりさらに大きい。
【００３１】
本明細書に述べられる場合、本発明の実施形態によるステップクラッドファイバは、第１のクラッディングの中に結合されるレーザパワーの実質的に全てまたは全てを有し得る。第１のクラッディングの中に結合されるパワーが多いほど、概して、より大きいＢＰＰにつながる。種々の実施形態では、第１のクラッディングと中心コアの直径比率は、１．２より大きい、例えば、１．２〜３、または、１．３〜２でさえある。
【００３２】
本発明の実施形態によるステップクラッドファイバを用いて取得可能な最大ＢＰＰは、第１の環状コアの直径（または第１の環状コアが存在しない場合、第１のクラッディングの直径）に依存し得る。したがって、種々の実施形態では、第１の環状コア（または第１の環状コアが存在しない場合、第１のクラッディング）と中心コアの直径比率は、約１．５〜約６．５、または、約２〜約５にさえ及ぶ。
【００３３】
構造的に、本発明の実施形態による光ファイバは、本発明の原理を改変することなく、高屈折率および／または低屈折率の１つまたは複数の層を第２のクラッディングを越えて（すなわち、その外側に）含んでもよい。そのような付加的層はまたも、クラッディングおよび環状コアと称され得るが、光を誘導しなくてもよい。そのような変形は、本発明の範囲内である。本発明の種々の実施形態によると、ステップクラッドファイバの種々のコアおよびクラッディング層は、実質的に純粋な溶融シリカ、ならびに／または、フッ素、チタン、ゲルマニウム、および／またはホウ素でドープされた溶融シリカ等のガラスを含み得るか、それらから本質的に成り得るか、またはそれらから成り得る。
【００３４】
本発明の実施形態による、ステップクラッドファイバ２００を使用してＢＰＰを変動させるための例示的レーザシステム４００が、図４に描写される。（そのようなシステムは、代替として、本発明の実施形態による、ステップクラッドファイバ３００を利用してもよい。）示されるように、レーザシステム４００は、調節可能反射体４０５（例えば、先端傾斜調節可能ミラー）を含み、入射する入力レーザビーム４１０をファイバ結合光学要素４１５（例えば、１つまたは複数のレンズ）に再指向し、ファイバ結合光学要素４１５は、ビーム４１０をステップクラッドファイバ２００に向かって集束させる。示されるように、ビーム４１０が内部結合される、ステップクラッドファイバ２００の入力面の領域は、少なくとも部分的に、反射体４０５の構成（例えば、位置および／または角度）によって画定される。最良開始ビーム品質（すなわち、最小ＢＰＰ）に関して、ステップクラッドファイバ２００は、典型的には、光学要素４１５の焦点スポットに位置する。
【００３５】
反射体４０５の構成は、反射体４０５に作用可能に接続されるコントローラ４２０および／または１つまたは複数のアクチュエータ（図示せず）を介して、制御されてもよい。したがって、反射体４０５および／または１つまたは複数のアクチュエータは、コントローラ４２０に応答してもよい。コントローラ４２０は、所望の標的放射パワー分布および／またはビーム品質のＢＰＰもしくは他の尺度（例えば、ユーザによる入力、および／または、ワークピースまでの距離、ワークピースの組成物、ワークピースのトポグラフィ等の処理されるべきワークピースの１つまたは複数の性質に基づく入力）に応答し、ステップクラッドファイバ２００から出力される出力ビームが標的放射パワー分布またはビーム品質を有するように、反射体４０５を角度付け、ビーム４１０をステップクラッドファイバ２００の入力面に当てるように構成されてもよい。このように生成された出力ビームは、焼鈍、切断、溶接、穿孔等のプロセスのために、ワークピースに指向されてもよい。コントローラ４２０は、本明細書に詳述されるように、特定の反射体傾斜を介して、所望のパワー分布および／または出力ＢＰＰおよび／またはビーム品質を達成するようにプログラムされてもよい。
【００３６】
コントローラ４２０は、ソフトウェア、ハードウェア、またはそれらのある組み合わせのいずれかとして提供されてもよい。例えば、システムは、Ｉｎｔｅｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｓａｎｔａ  Ｃｌａｒａ，  Ｃａｌｉｆ．）製Ｐｅｎｔｉｕｍ（登録商標）、またはＣｅｌｅｒｏｎファミリーのプロセッサ、Ｍｏｔｏｒｏｌａ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｓｃｈａｕｍｂｕｒｇ，  Ｉｌｌ．）製６８０ｘ０およびＰＯＷＥＲ  ＰＣファミリーのプロセッサ、ならびに／またはＡｄｖａｎｃｅｄ  Ｍｉｃｒｏ  Ｄｅｖｉｃｅｓ，  Ｉｎｃ．（Ｓｕｎｎｙｖａｌｅ，  Ｃａｌｉｆ．）製ＡＴＨＬＯＮラインのプロセッサ等の１つまた複数のプロセッサを含むＣＰＵ基板を有するＰＣ等の１つまたは複数の従来のサーバクラスコンピュータ上で実装されてもよい。プロセッサはまた、本明細書に説明される方法に関連するプログラムおよび／またはデータを記憶するためのメインメモリユニットを含んでもよい。メモリは、１つまたは複数の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、電気的に消去可能なプログラマブル読取専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、プログラマブル読取専用メモリ（ＰＲＯＭ）、プログラマブル論理デバイス（ＰＬＤ）、もしくは読取専用メモリデバイス（ＲＯＭ）等の一般に利用可能なハードウェア上に存在するランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読取専用メモリ（ＲＯＭ）、および／またはＦＬＡＳＨメモリを含んでもよい。いくつかの実施形態では、プログラムは、光ディスク、磁気ディスク、ならびに他の一般的に使用される記憶デバイス等の外部ＲＡＭおよび／またはＲＯＭを使用して提供されてもよい。機能が１つまたは複数のソフトウェアプログラムとして提供される実施形態に関して、プログラムは、ＦＯＲＴＲＡＮ、ＰＡＳＣＡＬ、ＪＡＶＡ（登録商標）、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、ＢＡＳＩＣ、種々のスクリプト言語、および／またはＨＴＭＬ等のいくつかの高レベル言語のうちのいずれかで書かれてもよい。加えて、ソフトウェアは、標的コンピュータ上に存在するマイクロプロセッサに指向されるアセンブリ言語で実装されてもよく、例えば、ソフトウェアは、ＩＢＭ  ＰＣまたはＰＣクローン上で作動するように構成される場合、Ｉｎｔｅｌ  ８０ｘ８６アセンブリ言語で実装されてもよい。ソフトウェアは、フロッピー（登録商標）ディスク、ジャンプドライブ、ハードディスク、光ディスク、磁気テープ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フィールドプログラマブルゲートアレイ、またはＣＤ−ＲＯＭを含むが、それらに限定されない、製造品上に組み込まれてもよい。
【００３７】
レーザシステム４００の出力ＢＰＰおよびＮＡのシミュレーション結果が、それぞれ、図４Ｂおよび図４Ｃに描写される。図４Ｂおよび図４Ｃでは、光学要素４１５は、３０ｍｍ焦点距離を有し、ステップクラッドファイバ２００は、中心コア、第１のクラッディング、第１の環状コア、および第２のクラッディングそれぞれに関して、１００μｍ、１６０μｍ、３６０μｍ、および４００μｍの直径を有する。中心コアおよび第１の環状コアのＮＡは、それぞれ、０．１２および０．２２である。図４Ｂに示されるように、ＢＰＰは、約１．２ｍｒａｄの反射体傾斜において、約４ｍｍ−ｍｒａｄから始まり、最大約２０ｍｍ−ｍｒａｄに到達する。ＢＰＰ変動は、出力スポットサイズ（Ｄ）変化およびＮＡ変化の組み合わせられた結果である。反射体傾斜が、その初期ゼロ位置から徐々に増加するにつれて、より多くのパワーが、第１のクラッディングの中に結合され、これは、出力スポットサイズ（Ｄ）およびＮＡ、したがって、ＢＰＰを効果的に拡大する。反射体傾斜のさらなる増加（約１．２ｍｒａｄより大きい）は、本実施例では、第１のクラッディングの中に結合される減少されたパワーに起因して、より小さいＮＡをもたらす。図４Ｃは、反射体傾斜が、約２．２ｍｒａｄより大きいとき（その時点で全てのパワーが第１の環状コアの中に結合される）、出力ＮＡがその初期最小ＮＡ（０反射体傾斜において得られる）に戻って減少することを示す。図４Ｂおよび４Ｃから明白であるように、第１のクラッディングの中に結合されるパワーは、損失されず、代わりに、ＢＰＰ変動において主要な役割を果たす。
【００３８】
加えて、本例示的実施形態に関する約２０ｍｍ−ｍｒａｄの最大ＢＰＰは、第１の環状コアの直径が３６０μｍである、ステップクラッドファイバを用いて得られる。同一ＢＰＰ範囲に関して、従来の技法は、５００μｍの第１の環状コア直径を有する、二重クラッドファイバを要求し、これは、レーザ焦点スポットにおいて本発明の例示的実施形態におけるものよりほぼ２倍低いパワー密度をもたらす。したがって、示されるように、本発明の実施形態は、有利には、増加されたＮＡを伴って、より大きいＢＰＰを発生させ、これは、概して、（例えば、出力ビームのより高いパワー密度を発生および維持する）大きなＢＰＰ用途に望ましい。
【００３９】
図５は、本発明の実施形態による、ステップクラッドファイバ（５１）を有するレーザシステム５００を描写する。レーザシステム５００では、コントローラ４２０は、光学要素４１５を直接制御し、光学要素４１５は、入力ビーム４１０の入力伝搬方向（すなわち、図５に示されるｚ）に直交する方向（すなわち、図５に示されるｘおよびｙ）において調節可能（すなわち、平行移動可能）である。例えば、コントローラ４２０は、レンズ操作システム（例えば、２次元または３次元において移動可能な１つまたは複数のモータ式ステージまたはアクチュエータ）を制御することにより、光学要素４１５の移動を制御し、それによって、ステップクラッドファイバ２００の入力表面上の入力ビーム４１０の内部結合位置（を調節し、したがって、ステップクラッドファイバ２００から発出する出力ビームのＢＰＰ）を調節してもよい。レーザシステム４００と同様に、ステップクラッドファイバ２００の種々の領域の中に結合される、入力ビーム４００の相対的量は、出力ビームの制御可能可変ＢＰＰおよび／またはＮＡをもたらす。図６は、類似レーザシステム６００を描写し、光学要素４１５は、例えば、１つまたは複数のモータ式ステージまたはアクチュエータを介して、入力ビーム４１０の入力伝搬方向と平行な方向（すなわち、図６に示されるｚ）に調節可能である。ステップクラッドファイバ２００に対する光学要素４１５の平行移動は、ステップクラッドファイバ２００の種々の領域に伝搬しかつその中に内部結合されるビームの量を偏光する。レーザシステム４００と同様に、レーザシステム５００、６００は、ステップクラッドファイバ２００に加え、またはステップクラッドファイバ２００の代わりに、ステップクラッドファイバ３００を用いて利用されてもよい。本発明の実施形態によるレーザシステムはまた、光学要素４１５の平行移動（図５および図６におけるように）と反射体４０５の調節（図４におけるように）を組み合わせ、ステップクラッドファイバからのビーム出力のＢＰＰおよび／またはＮＡを制御可能に調節してもよい。
【００４０】
レーザシステム４００、５００、６００は、ビームの異なる部分がファイバの異なる領域の中に内部結合されるように、ビームがステップクラッドファイバの入力面にわたって掃引されるときに、入力レーザビームをパワーダウン（すなわち、スイッチオフ）する必要なく、連続方式においてレーザビームのＢＰＰおよび／またはＮＡを変更するために利用されてもよい。ステップクラッドファイバ２００、３００は、クラッディング領域（例えば、第１のクラッディング）に伝搬するビームエネルギーが閉じ込められ、ファイバまたはファイバと関連付けられた光学部（例えば、光学要素）の損傷につながらないように構成されるため、入力ビームは、入力ビームまたはその一部がステップクラッドファイバのクラッディング（単数または複数）に当たるときに、オフに切り替えられる必要がない。
【００４１】
本発明の実施形態はまた、２０１５年２月２６日に出願された米国特許出願第１４／６３２，２８３号、２０１５年６月２３日に出願された米国特許出願第１４／７４７，０７３号、２０１５年９月１４日に出願された米国特許出願第１４／８５２，９３９号、および２０１６年６月２１日に出願された米国特許出願第１５／１８８，０７６号に説明されるようなＢＰＰ変動のシステムおよび技法を利用してもよく、それぞれの開示全体は、参照によって本明細書に援用される。
【００４２】
本発明の実施形態による、本明細書に詳述される、レーザシステムおよびレーザ送達システムは、ＷＢＣレーザシステム内および／またはＷＢＣレーザシステムとともに利用されてもよい。具体的には、本発明の種々の実施形態では、ＷＢＣレーザシステムの複数波長出力ビームが、本明細書に詳述されるように、ＢＰＰの変動のために、レーザビーム送達システムのための入力ビームとして利用されてもよい。図７は、１つまたは複数のレーザ７０５を利用する、例示的ＷＢＣレーザシステム７００を描写する。図７の実施例では、レーザ７０５は、ビーム７１０を放出する４つのビームエミッタを有するダイオードバーを含む（拡大された入力ビュー７１５参照）が、本発明の実施形態は、任意の数の個々のビームを放出するダイオードバーもしくは２次元アレイ、または、ダイオードまたはダイオードバーのスタックを利用してもよい。ビュー７１５では、各ビーム７１０は、線によって示され、線の長さまたはより長い寸法は、ビームの低速発散寸法を表し、高さまたはより短い寸法は、高速発散寸法を表す。コリメート光学部７２０が、各ビーム７１０を高速寸法に沿ってコリメートするために使用されてもよい。１つまたは複数のシリンドリカルレンズまたは球形レンズおよび／またはミラーを含み得るか、またははそれらから本質的に成り得る変形光学部（単数または複数）７２５が、各ビーム７１０をＷＢＣ方向７３０に沿って組み合わせるために使用される。変形光学部７２５は、次いで、組み合わせられたビームを分散要素７３５（例えば、反射または透過回折格子、分散プリズム、グリズム（プリズム／格子）、透過格子、またはエシェル格子を含み得るか、またはそれらからなり得るか、またはそれらから本質的に成り得る）上に重複させ、組み合わせられたビームは、次いで、単一出力プロファイルとして出力結合器７４０上に伝送される。出力結合器７４０は、次いで、組み合わせられたビーム７４５を、示されるように、出力正面ビュー７５０上に伝送する。出力結合器７４０は、典型的には、部分的に反射性であり、この外部キャビティシステム７００内の全レーザ要素のために共通正面ファセットとして作用する。外部キャビティは、レージングシステムであり、二次ミラーが、各レーザエミッタの放出開口またはファセットから離れる方向にある距離だけ変位される。いくつかの実施形態では、付加的光学部が、放出開口またはファセットと出力結合器または部分的反射表面との間に設置される。出力ビーム７４５は、したがって、複数波長ビーム（個々のビーム７１０の波長を組み合わせる）であり、本明細書に詳述されるレーザビーム送達システム内の入力ビームとして利用されてもよく、かつ／または本明細書に詳述されるようなステップクラッド光ファイバの中に結合されてもよい。
【００４３】
本明細書で採用される用語および表現は、限定ではなく、説明の観点として使用され、そのような用語ならびに表現の使用において、図示および説明される特徴またはその一部の均等物のいずれかを除外する意図はなく、種々の修正が、請求される本発明の範囲内で可能であることを認識されたい。
【図１】
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【図２Ａ−２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ−３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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